所有关于全域快门 vs 滚动快门的讨论是怎么回事？（上）

所有关于全域快门 vs 滚动快门的讨论是怎么回事？

控制曝光时间并获取清晰的图像

快门控制曝光时间，从而控制图像中的信号强度。如果物体正在移动，特别是当涉及到与照明光同步的时候，快门还决定了图像的质量，并设定实验环境。

**初：机械快门和机电快门

在数字图像传感器出现之前，快门必须控制且限制感光胶片暴露于特定场景或样本前的时间。对于摄影中使用的单反 (SLR) 相机而言，存在两种类型的机电焦平面快门可搭配使用。图 1a 和 1b 描绘了具有垂直金属快门片的焦平面快门，而图 1c 显示了水平移动狭缝快门，通常用于不太贵的应用。

控制快门的宽度和时长可以将曝光时间调整到对于某个应用而言的合适长度。图 1c 中的水平狭缝快门表明了较短的曝光时间，其中允许光线进入的狭缝小于镜头总开口。为了控制曝光时间，各种快门配置被开发出来，例如相机镜头内的快门或胶片相机的移动狭缝快门，甚至光学实验台装置中的外部快门也被用来中断光路。如果被成像的物体的运动速度快于快门的物理运动速度，则可以使用短光脉冲来控制曝光时间，即使曝光时间较长，也可以有效地“冻结”运动状态。

图 1：(a) 带有垂直移动快门片的机电焦平面快门，(b) 垂直快门的快门运动示意图和 (c) 水平快门的快门运动示意图（照片取自 Wikipedia¹）

CCD 图像传感器中的快门——电子快门出现了

电荷耦合器件 (CCD) 图像传感器是使用且同时应用于基础成像和科学成像的数字图像传感器。该架构已被允许采用纯电力的方法来控制曝光时间。图 2 是 CCD 图像传感器的各种主要架构的示意图。

开发的 CCD 架构是全帧 CCD（图 2a）。在这种设计里，所有像元同时被照亮，具有极大填充因子（这意味着几乎所有像元区域都对光敏感）。曝光控制总是需要机械或机电快门来释放和阻挡落在图像传感器上的光线。当曝光结束且快门关闭时，整个图像逐行垂直向下移动到水平移位寄存器，即串行读出寄存器。一旦某一行移入该水平寄存器，它就会逐个像元地移至输出放大器和 A/D 转换器中（图 2 – 三角形）。当该行被读出时，下一行被移入水平移位寄存器。因为CCD图像传感器相对便宜、显示出足够的灵敏度并且制造商从使用胶片作为光检测器的时候就已经在他们的相机中安装了机电快门，所以这些CCD图像传感器经常出现在一代数码相机中。

图 2：CCD 图像传感器的三个相关架构示意图：a) 全帧 b) 帧传输 和 c) 行间传输。箭头表示移位和读出方向。

在下一种架构中，即所谓的帧传输 CCD（图 2b），实质上是两个全帧 CCD 图像传感器并排使用。其中一个被遮光罩覆盖，这样可以通过全部光敏行的快速垂直移动来控制曝光。当它们到达屏蔽区域时，它们再次逐行缓慢垂直移动到水平读出寄存器中，串行读出过程与全帧CCD相同。这类图像传感器内配备一种快速向下移动的电子快门，但尽管如此，**上面的一排像元因**晚到达屏蔽区域所以还是会捕捉到不需要的光线。这种架构通常用于 emCCD。因为图像传感器必须是两倍大，所以它需要在晶圆上使用极大的面积，不过仍具有良好的填充因子。

随后的架构是行间传输 CCD（图 2c），引入了电子快门，从而允许实现更短的曝光时间。每个像元具有大约 30% 的光敏区域，而其余的区域被屏蔽。当停止与基板连接时曝光开始，并通过图像快速水平移动到像元中的寄存器来停止。从这里开始，读出过程与其他架构相同，电荷逐行垂直向下移动，随后水平读出。这种架构具有较差的填充因子 (< 50 %)， 通过在每个像元上使用微透镜来补偿，微透镜将入射光聚焦到像元的光敏部分来提高填充因子。现在可以将曝光时间降至数百纳秒。

虽然上述几种架构是与 CCD 图像传感器**相关的，但也总是存在特殊的解决方案或特殊版本的架构。例如，德州仪器（Texas Instruments）还有一款针对电视应用的帧间行传输 CCD，称为 Impactron TC246。

注意：快门效率！

与早期的机械快门相比，CCD、CMOS 或 sCMOS 图像传感器中的电子快门的遮光效率有限。尽管电荷存储节点或寄存器通常被半导体材料中的金属层屏蔽——这些金属层或多或少是光子“不可渗透的”，但光总是可以从开放空间进入并被散射到屏蔽层的下方，这对于像元的光敏感部分是有影响的。此外，虽然光电二极管周围的半导体材料的掺杂不同，但它仍然是硅，因此，它也可以吸收光并产生可能增益信号电荷包的电荷载流子。综上，快门效率通常以 1 的比的形式给出，来描述特定图像传感器中电子快门的工作情况。小比率是低于 1:200 的比率，而好的比率是高于 1:200 的比率。如果一个应用需要使用大量连续光，则应考虑到这一点。

CMOS 图像传感器中的快门——新的电子快门选项：滚动快门和全域快门

随着新型 CMOS 图像传感器（互补金属氧化物半导体，Complementary Metal-Oxide Semiconductors）的发展，出现了更多种关于架构的新可能，其中以“滚动”和“全域”快门的差异**为显着。理论上，CMOS 图像传感器是按像元为单位来进行操作和读出的，这被认为是 CMOS 优于 CCD 图像传感器的特点。CMOS 图像传感器真正从技术上实现了以行作读出结构（在 CCD 图像传感器中也是如此），但行中的每个（像元）单位都有放大和 A/D 转换的功能。因此，所有像元列相互连接，使得信号按行切换到列上，然后在顶部或底部或两者同时转换整行。使用这种架构设计，已经制造出非常高效的 CMOS 和 sCMOS 图像传感器。

每个像元上都有一定数量的晶体管，因为只有电压才能极快地传输到位于末尾的放大和A/D转换装置中，所以CMOS图像传感器一开始的缺点是每个像元都需要电荷到电压的转换。结果是这些转换设备在每个像元中都需要占据物理空间，需要的晶体管越多，所谓的填充因子 ² 和由此产生的灵敏度就越差。尽管使用微透镜可以在一定程度上改善较低的填充因子，但填充因子在滚动快门和全域快门 CMOS 图像传感器之间的选定中也起着重要作用，而后者的每个像元中都需要更多的晶体管。

滚动快门的操作

滚动快门是上述焦平面快门的电子版本，带有狭缝帘。图 3 显示了 sCMOS 图像传感器 CIS2521 或 CIS2020A 如果被用作滚动快门图像传感器且曝光时间短于读出时间的典型时序。图片左侧每行显示一个*具有 10 x 10 像元的图像传感器模型的快照，以解释其功能，右侧则显示特定时刻不同操作的相应时序。

这个sCMOS图像传感器的读出方向是从上到下的，在首张“快照”中的首行已经开始曝光，此时第二行刚刚开始（见图3），“开始”由细灰色矩形来表示，曝光时间则由浅灰色箭头来表示。这个过程不断进行直到图像传感器的末尾一行。而在快照2中，图像1的第4行开始曝光时，图像1的第1行已经停止，该行的图像信息已经开始读出。这个过程进一步向下移动到图像传感器，如图 3 中的快照 3 所示。当第 7 行的曝光开始时，图像 1 的**行已经被读出，第 4 行的曝光已经停止并读出图像信息。从快照 1 到 3 可以看出，同时曝光两行的狭缝正在向下移动，就像焦平面快门中的曝光狭缝一样。快照 4 到 7 显示了正在进行的过程。虽然可以在读出末尾一行之前开始第二幅图像的曝光，但在全部读出数据那一刻之前不能停止曝光。

一种特殊情况是图像的读出时间和曝光时间相同。这在图 4 中显示。在这种情况中，同时曝光的图像传感器的区域更大，就如不同快照中所示。

在曝光时间进一步增加的情况下，有一段时间整个图像传感器的所有行被同时曝光。如果图像传感器只有滚动快门而所有像元（全域）都应该在同一时刻被照亮，那么这种时序情况可以与闪光灯照明一起使用，以实现“有效”的全域曝光。图 5 描绘了“有效”的全域快门的情况（比较图 10）。

图5中的两个快照显示了整个图像传感器同时曝光的情况（图5快照3和5）。

由于在大多数 CMOS 和 sCMOS 图像传感器中，读出是面向行的，整个图像或帧的读出时间是主要时间贡献之一。滚动快门看起来很像老式的狭缝帘式快门，而另一种类型的快门，即全域快门，更像是**快门，或类似于以前的允许非常短曝光时间的行间传输 CCD 快门。

图 3：滚动快门操作示意图，以 sCMOS 图像传感器 CSI2521 或 CIS2020 为例，曝光时间 < 读出时间。不同的行显示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同时刻。左图显示了图像传感器的快照，而右侧给出了相应的时序图。深灰色表示曝光开始（重置），浅灰色箭头是实际曝光时间，橙色表示曝光停止，蓝色神经元图像是图像数据或信息，中灰色表示不相关。

图 4：滚动快门操作示意图，以 sCMOS 图像传感器 CSI2521 或 CIS2020 为例，其中曝光时间 = 读出时间。不同的行显示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同时刻。左边是图像传感器的快照，右边是相应的时序图。深灰色表示曝光开始（重置），浅灰色箭头是实际曝光时间，橙色表示曝光停止，蓝色神经元图像是图像数据或信息，中灰色表示不相关。

图 5：滚动快门操作示意图，以 sCMOS 图像传感器 CSI2521 或 CIS2020 为例，曝光时间 > 读出时间。不同行显示了 10 x 10 像元的 sCMOS 模型的不同时刻。左边是图像传感器的快照，右边是相应的时序图。深灰色表示曝光开始（重置），浅灰色箭头是实际曝光时间，橙色表示曝光停止，蓝色神经元图像是图像数据或信息，中灰色表示不相关。

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